Makala kuhusu nishati inayoweza kutokea kwa umeme
Kabla ya kusoma mada hii, kwanza elewa kazi, nguvu za kihafidhina, uhusiano kati ya nguvu za kihafidhina na nishati inayowezekana , nguvu za umeme na uwanja wa umeme.
Nguvu ya umeme ni nguvu ya kihafidhina
Mbali na nguvu ya uvutano na nguvu ya chemchemi, mfano mwingine wa nguvu ya kihafidhina ni nguvu ya umeme. Ili kuelewa vyema kwa nini nguvu ya umeme inaitwa nguvu ya kihafidhina, elewa maelezo yafuatayo.
Tuseme kuna sahani mbili zilizochajiwa kwa umeme kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro, sahani ya kushoto imechajiwa kwa njia chanya, na sahani ya kulia imechajiwa kwa njia hasi. Mshale kati ya sahani hizo mbili ni mistari ya uwanja wa umeme inayotoka kwenye chaji chanya kuelekea chaji hasi. Chaji chanya iko karibu na sahani chanya iliyochajiwa kwa njia ya umeme.
Uwepo wa uwanja wa umeme husababisha chaji chanya kupata nguvu ya umeme katika mwelekeo wa uwanja wa umeme ili chaji chanya iharakishwe kuelekea kulia kuelekea bamba lenye chaji hasi. Mwelekeo wa nguvu ya umeme kulia, katika mwelekeo wa mwendo wa chaji, ili nguvu ya umeme ifanye kazi chanya kwenye chaji. Kihisabati, kazi inayofanywa na nguvu ya umeme kwenye chaji chanya ni W = F d = q E d, ambapo W = kazi, F = nguvu ya umeme, d = umbali kati ya bamba mbili, q = chaji chanya, E = uwanja wa umeme.
Baada ya kufika karibu na bamba lenye chaji hasi, ikiwa chaji chanya itarudishwa katika nafasi yake ya awali karibu na bamba lenye chaji hasi, nguvu ya nje inahitajika. Chaji chanya inapohamishwa kushoto kuelekea bamba lenye chaji chanya, nguvu ya umeme hubaki ikielekezwa kulia ili nguvu ya umeme ifanye kazi hasi kwenye chaji. Kihisabati, kazi inayofanywa na nguvu ya umeme kwenye chaji chanya ni W = – F d = – q E d.
Jumla ya kazi inayofanywa na nguvu ya umeme kwenye chaji chanya, wakati chaji inaposogea kulia, kisha inasogea tena kushoto hadi nafasi yake ya awali, ni W = q E d – q E d = 0. Ikiwa kazi halisi inafanywa na nguvu kwenye kitu, wakati kitu kinapotoka kutoka nafasi yake ya awali na kisha kinarudi kwenye nafasi yake ya awali, sawa na sifuri, basi nguvu hiyo ni nguvu ya kihafidhina. Kulingana na maelezo hapo juu, inaweza kuhitimishwa kwamba nguvu ya umeme ni nguvu ya kihafidhina.
Nguvu ya umeme na nishati inayoweza kutokea kwa umeme
Kazi inayofanywa na nguvu za kihafidhina inahusiana na mabadiliko katika nishati inayowezekana. Kwa mfano, kazi inayofanywa na nguvu ya uvutano kwenye kitu chenye uzito hubadilisha nishati inayowezekana ya uvutano ya kitu chenye uzito. Vile vile, kazi inayofanywa na nguvu ya umeme katika chaji ya umeme hubadilisha nishati inayowezekana ya umeme ya chaji.
Chaji chanya katika uwanja wa umeme unaofanana
Picha mbili zilizo hapa chini zinaonyesha mifano ya kazi iliyofanywa na nguvu za kihafidhina zinazosababisha mabadiliko katika nishati inayowezekana. Maelezo ya kazi iliyofanywa na nguvu ya uvutano na mabadiliko katika nishati inayowezekana ya uvutano hutumika kama ulinganisho,
ili kurahisisha uelewa wa kazi inayofanywa na nguvu ya umeme na mabadiliko katika nishati inayoweza kutokea kwa umeme.
Picha upande wa kushoto inaonyesha kitu kinachoanguka kwa uhuru kuelekea uso wa ardhi. Vinapokuwa juu, vitu vina nishati ya juu zaidi ya uwezo wa uvutano. Wakati wa kusonga chini, nguvu ya uvutano hufanya kazi kwenye kitu hicho. Mwelekeo wa nguvu ya uvutano ni sawa na mwelekeo wa mwendo wa kitu kilicho chini ili nguvu ya uvutano ifanye kazi chanya. Inapoharakishwa chini, urefu wa kitu hupungua ili nishati ya uwezo wa uvutano wa kitu ipungue. Inapofika chini, nishati ya uwezo wa uvutano ni ya chini kabisa. Inaweza kuhitimishwa kuwa kazi chanya inayofanywa na nguvu ya uvutano kwenye kitu hupunguza nishati ya uwezo wa uvutano wa kitu hicho. Nishati ya uwezo wa uvutano haipotei bali hubadilika kuwa nishati ya kinetiki, ambayo inaonyeshwa na ongezeko la kasi ya kitu kinaposhuka chini.
Mchoro upande wa kulia unaonyesha chaji chanya karibu na sahani iliyochajiwa vyema. Inapokuwa karibu na sahani iliyochajiwa vyema, nishati ya umeme ina thamani ya juu zaidi. Uwepo wa uwanja wa umeme kati ya sahani hizo mbili husababisha chaji kuharakishwa na nguvu ya umeme kutoka kwa sahani iliyochajiwa vyema hadi kwenye sahani iliyochajiwa vibaya. Chaji inaposogea kulia, nguvu ya umeme pia iko katika mwelekeo wa kuhama kwa chaji kwenda kulia, ili nguvu ya umeme ifanye kazi chanya. Wakati wa kusogea kulia, nishati ya kinetiki ya chaji huongezeka huku nishati ya umeme ikipungua.
Inapofika karibu na bamba lenye chaji hasi, nishati ya umeme inayowezekana ina thamani ya chini kabisa. Inaweza kuhitimishwa kwamba kazi chanya inayofanywa na nguvu ya umeme kwenye chaji hupunguza nishati ya umeme inayowezekana ya chaji. Kinyume chake, ikiwa chaji chanya inarudishwa kwenye nafasi yake ya awali basi mwelekeo wa chaji hubadilika kwenda kushoto, kinyume na mwelekeo wa nguvu ya umeme kulia. Kwa sababu ya mwelekeo kinyume, nguvu ya umeme hufanya kazi hasi kwenye chaji chanya. Inapohamia kushoto, nishati ya umeme inayowezekana huongezeka. Kwa hivyo, inaweza kuhitimishwa kwamba kazi hasi inayofanywa na nguvu ya umeme kwenye chaji huongeza nishati ya umeme inayowezekana ya chaji.
Chaji hasi katika uwanja wa umeme unaofanana
Tofauti na chaji chanya, chaji hasi ina nishati ya juu zaidi ya uwezo wa umeme inapokuwa karibu na sahani iliyochajiwa vibaya na nishati ya chini kabisa ya uwezo wa umeme inapokuwa karibu na sahani iliyochajiwa vyema. Kwa kawaida, chaji ya umeme huhama kutoka uwezo wa juu hadi uwezo wa chini, kwa hivyo chaji hasi pia huhama kutoka kwa sahani iliyochajiwa vibaya hadi kwenye sahani iliyochajiwa vyema. Mwelekeo wa kuhama kwa chaji hasi ni kushoto, huku mwelekeo wa nguvu ya umeme uko kulia ili nguvu ya umeme ifanye kazi hasi. Wakati wa kusonga kushoto, nishati ya uwezo wa umeme ya chaji hasi hupungua na huwa na thamani ya chini kabisa wakati chaji hasi inapofika karibu na sahani iliyochajiwa vyema. Inaweza kuhitimishwa kuwa kazi hasi inayofanywa na nguvu ya umeme hupunguza nishati ya uwezo wa umeme ya chaji hasi. Nishati ya uwezo wa umeme haipotei bali hubadilika kuwa nishati ya kinetiki ambayo ina sifa ya kuongeza kasi ya chaji wakati wa kusonga kuelekea sahani iliyochajiwa vyema.
Nishati inayowezekana ya umeme katika uwanja wa umeme unaofanana
Nishati ya uwezo wa umeme ya chaji wakati chaji iko katika nafasi fulani, thamani yake haiwezi kujulikana. Lakini ikiwa chaji inahama kutoka sehemu moja hadi nyingine, inaweza kuhesabiwa mabadiliko ya nishati ya uwezo wa umeme ya chaji. Kwa hivyo, kinachomaanisha ni mabadiliko katika nishati ya uwezo. Mabadiliko katika nishati ya uwezo wa umeme (ΔEP) yanaweza kujulikana wakati chaji chanya inahama kutoka kwa uwezo wa juu (sahani iliyochajiwa vyema) hadi uwezo wa chini (sahani iliyochajiwa vibaya).
Kwa kulinganisha, embe linapokuwa kwenye shina lake, embe lina nishati ya uvutano, lakini thamani yake haiwezi kujulikana. Ikiwa tunda la embe litaharakishwa hadi ardhini kwa nguvu ya uvutano, mabadiliko ya nishati ya uvutano ya embe yanaweza kujulikana kupitia hesabu kwa kutumia fomula W = ΔEP = mgh,
ambapo m = uzito, g = kasi ya uvutano, h = umbali kati ya embe na uso wa ardhi.
Vile vile, mabadiliko ya nishati ya umeme inayoweza kutokea katika chaji yanaweza kujulikana wakati nguvu ya umeme inapoharakisha chaji kutoka sehemu moja hadi nyingine. Kama ilivyoelezwa hapo awali, ikiwa chaji chanya huhama kutoka kwenye bamba lenye chaji chanya hadi kwenye bamba lenye chaji hasi,
mabadiliko ya nishati ya uwezo wa umeme huhesabiwa kwa kutumia fomula W = ΔEP = q E d, ambapo q = chaji ya umeme, E = uwanja wa umeme na d = umbali kati ya mahali na mahali pengine. Vile vile, ikiwa chaji hasi huhama kutoka kwa sahani iliyochajiwa vibaya hadi kwenye sahani iliyochajiwa vyema, ongezeko la nishati ya uwezo wa umeme ya chaji hasi huhesabiwa kwa kutumia fomula W = ΔEP = q E d.
Nishati ya umeme inayowezekana ya chaji mbili za nukta
Mabadiliko katika nishati ya uwezo wa umeme hayapatikani tu na chaji katika uwanja wa umeme unaofanana, lakini pia uwanja wa umeme unaozalishwa na chaji moja ya umeme. Tuseme kuna chaji moja Q ambayo hutoa uwanja wa umeme na chaji ya q ina umbali wa r kutoka kwa chaji Q.
Q = chaji ya umeme inayosababisha uwanja wa umeme
q = chaji ya umeme ambayo huhamishwa katika uwanja wa umeme unaozalishwa na chaji Q
d = r = umbali wa chaji q kutoka chaji Q.
Ikiwa chaji zote mbili zina ishara moja, + au -, basi chaji hizo mbili hurudishana nyuma au hujitenga ili mabadiliko katika nishati inayowezekana yawe chanya (nishati inayowezekana ya umeme huongezeka). Hii ni kama kitu chenye uzito kinachosogea juu kutoka duniani ili urefu wake na nishati inayowezekana ya uvutano iongezeke. Kinyume chake, ikiwa ishara ya chaji zote mbili si sawa, chaji hizo mbili huvutana au kukaribiana ili mabadiliko katika nishati inayowezekana yawe hasi (nishati inayowezekana ya umeme hupunguzwa). Hii ni kama kitu chenye uzito kinachosogea chini kinakaribia uso wa dunia ili urefu wake na nishati inayowezekana ya uvutano ipunguzwe.
Nguvu ya umeme ni nguvu ya kihafidhina, kwa hivyo umbo la njia ya chaji haliathiri mabadiliko katika nishati ya uwezo wa umeme. Kinachoathiri thamani ya mabadiliko katika nishati ya uwezo wa umeme, ni nafasi ya awali na nafasi ya mwisho ya chaji.
Katika mada inayofuata itasomwa kuhusu uwezo wa umeme, kiasi cha kimwili ambacho kinahusiana sana na nishati ya uwezo wa umeme.
